Universidad Nacional Autónoma de México
Facultad de Estudios Superiores Zaragoza INGENIERÍA QUÍMICA
Modulo: Procesos de separación Laboratorio y Taller Taller de Proyectos Pr oyectos “ACTIVIDAD EXPERIMETAL L! “Deter"inación de #ol$"enes "olares parciales% E&uipo ':
• • • • • •
Arre(uin )u*re+ Ricardo Ra"ses D,a+ Del(ado -eatri+ Lo+ada Roc.a Ariadna /a0aca Mart,ne+ Elena Consuelo V*+&ue+ 1lores Carolina Ver(ara Castillo Alberto
Pro23 I4 ALE)ADR/ )5VEAL 657M8 69ME7
1ec.a de acti#idad: '; abril;<'=
2.- RESUMEN:
1ec.a de entre(a: >;"ayo ;<'=3
En esta pr*ctica se reali+o la deter"inación del #olu"en de "e+cla y los #ol$"enes "olares parciales de los co"ponentes de una disolución binaria ?cloruro de sodio y a(ua destilada@ de distinta co"posición to"ando en cuenta una presión y te"peratura constantes3 Be utili+a para ello co"o $nicas "edidas e0peri"entales #ol$"enes y pesos de los co"ponentes puros y de la disolución3 Be to"aron #ol$"enes di2erentes de la solución para lle#ar a cabo estas deter"inaciones se to"aron los resultados y se .icieron los c*lculos necesarios
3.- OBJETIVO: Calcular los #ol$"enes "olares parciales en 2unción de la concentración para los co"ponentes de una solución binaria 2or"ada por un electrolito sencillo y a(ua3
4.- HIPÓTESIS: Al tener una solución binaria con una concentración inicial y despus al diluirla los #ol$"enes parciales ca"biaran de 2or"a descendente para el soluto ?cloruro de sodio@3
5.- MARCO TEÓRICO: El #olu"en "olar de una solución depende ade"*s de la te"peratura y la presión de la co"posición de la "is"a3 E0cepto &ue la solución sea ideal los #ol$"enes no son aditi#os y la contribución de un "ol de cada co"ponente a la "e+cla es lo &ue se lla"a #olu"en "olar parcial3 Bupon(a"os &ue 2or"a"os una "e+cla de dos l,&uidos ' y a te"peratura y presión constantes3 Bi se tienen n ' "oles del l,&uido ' de #olu"en "olar V "' y n "oles del l,&uido de #olu"en "olar V " el #olu"en total antes de la "e+cla ser* ¿
V
=n
1
¿
¿
V m , 1 + n2 V m , 2 ( 1 )
Lue(o de la "e+cla en (eneral el #olu"en no es el anterior V V debido a dos "oti#os: • Las di2erencias entre las 2uer+as de interacción en la "e+cla respecto de los co"ponentes puros3 • Las di2erencias en el e"pa&ueta"iento de las "olculas en la "e+cla respecto de los l,&uidos puros causado por distintos ta"aFos y 2or"as de las "olculas &ue se "e+clan3 Esto &ue ocurre para el #olu"en de la "e+cla es #*lido ta"bin para otras propiedades e0tensi#as co"o 6 G B Cp etc3 Por este "oti#o nos re2erire"os inicial"ente a una propiedad e0tensi#a cual&uiera &ue lla"are"os 1 para lue(o tratar el caso particular del #olu"en3 Propiedad "olar
Dada la propiedad e0tensi#a 1 sta puede "odi2icarse por #ariaciones en la te"peratura la presión y las cantidades de "oles de cada uno de los co"ponentes del siste"a3 /bser#e &ue el ca"bio en la cantidad de "oles de los co"ponentes no i"plica necesaria"ente ca"bio en la co"posición del siste"a3 As, planteado el proble"a (eneral e0presare"os 1 co"o 1 ?p T n ' n n=H3@3 Cual&uier ca"bio en las #ariables &ue la de2inen debe e0presarse co"o dF =
( )
( )
∂ F ∂ F dT + ∂ T p , n1, n2 ∂P
dp +
T ,n 1, n2
( ) ∂ F ∂ n1
dn1+
T, p,n≠,n1
( ) ∂ F ∂ n2
dn2 + … ( 2)
p ,n 1, n2
En esta ecuación nn indica &ue los "oles de todas las especies se "antienen constantes "ientras se #ar,a la de la ;si"a sustancia ?co"ponente@3 Por eJe"plo al preparar una solución acuosa de sacarosa en ' ( de a(ua .e"os 2iJado el n$"ero de "oles de a(ua ?K "oles@ "antene"os la presión y la te"peratura constantes pero a.ora pode"os estudiar có"o a2ecta la propiedad 1 a(re(ados de n$"eros de "oles distintos de sacarosa3 A te"peratura y presión constante d1 se e0presa co"o dF =
( ) ∂ F ∂n 1
dn1 +
T , p ,n ≠ , n 1
( ) ∂ F ∂ n2
T,n≠n2
dn2+ …=
( )
∑ k
∂ F ∂ n1
dnk ( 3 )
T, p,n≠,n1
De2inire"os co"o propiedad "olar parcial a la "a(nitud &ue describe có"o ca"bia el #alor de la propiedad 1 cuando "anteniendo todas las otras constantes "odi2ica"os el n$"ero de "oles de la especie en cuestión3 Indicare"os a las propiedades "olares parciales de la si(uiente "anera: ´ K = ∂ F F ( 4)
( ) ∂ n K
T ,p,n≠ ,nk
La propiedad "olar parcial representa la contribución &ue .ace por "ol el co"ponente ; si"o cuando a un siste"a constituido por un n$"ero apreciable de "oles de todos los co"ponentes se a(re(a un "ol de este co"ponente sin &ue se "odi2i&ue la co"posición del siste"a3 As, tendre"os &ue a cada co"ponente se le puede asi(nar la correspondiente propiedad "olar parcial3 En resu"en la propiedad "olar parcial da cuenta de la contribución &ue cada sustancia reali+a por "ol a la propiedad en cuestión3 Por su naturale+a es una "a(nitud intensi#a3 Esto si(ni2ica &ue no depende de la cantidad de "oles de cada uno de ellos sie"pre &ue la co"posición sea constante3 Bi se inte(ra la ecuación ?=@ pero "anteniendo constante la relación n':n:33:n desde < .asta el n$"ero de "oles &ue cada especie tiene en el siste"a a presión y te"peratura constante se obtiene: ´ n + F ´ n + ∑ F ´ k nk (5 ) F = F 1
1
2
2
k
Bi a.ora se di2erencia nue#a"ente esta 2unción a presión y te"peratura constante se obtiene ´ 1 n1+ F ´ 2 n2 + … ) + ( n1 d F ´ 1+ n2 d F ´ 2) ( 6 ) dF =( F En esta e0presión aparece un tr"ino &ue no est* presente en la ecuación ori(inal para d1 a saber ´ 1+ n2 d F ´ 2+ …=∑ nk d F ´ k (7 ) n1 d F k
A p y T constantes ?lo "is"o .ubiese obtenido a T y V constantes@ esta su"a debe #aler cero3 Esto es
∑n
k
´ k =0 ( 8) d F
k
A esta relación &ue es "uy i"portante para siste"as en e&uilibrio se la deno"ina de 6ibbs; Du.e" y establece &ue en un siste"a en e&uilibrio con especies no pueden #ariarse en 2or"a arbitraria las propiedades "olares parciales de todos los co"ponentes3 E&ui#alente"ente el ca"bio en la propiedad "olar parcial de un co"ponente &ueda deter"inado si se conocen los ca"bios de los otros ?;'@ co"ponentes3 Co"o se #er* en las clases teóricas esta relación cobra particular i"portancia en 1isico&u,"ica cuando 1 corresponde a la ener(,a libre ya &ue la propiedad "olar parcial en este caso es lo &ue se conoce co"o potencial &u,"ico 3 Volu"en "olar parcial Bi la 2unción e0tensi#a 1 es el #olu"en de un siste"a 2or"ado por dos co"ponentes ?sin reacción &u,"ica@ el #olu"en se e0presar* co"o V = ´ V 1 n1 + ´ V 2 n2+
∑ V ´ n (9 ) k k
k
Los #ol$"enes "olares parciales de estos co"ponentes se de2inir*n co"o
( )
´ 1= V
∂ V ∂n 1
´ 2= Y V
p ,T , n 2
( ) ∂ V ∂ n2
( 10 )
p ,T ,n 1
La relación de 6ibbs;Du.e" para los #ol$"enes "olares parciales resulta
∑n k
k
d ´ V k = 0 (11 )
En el caso de un siste"a de dos co"ponentes si se "odi2ica el #olu"en "olar parcial del co"ponente en una cantidad dV el #olu"en "olar parcial del co"ponente ' se adecua a este ca"bio a presión y te"peratura constante de la si(uiente "anera: d ´V 1=
−n ´ d V ( 12 ) 2
n1
2
Respecto de los #ol$"enes "olares parciales puede decirse &ue • Dependen de la te"peratura y la presión3 • Dependen de la co"posición de la solución ?por eJe"plo de la 2racción "olar@ pero no de la cantidad de solución ?son una propiedad intensi#a de2inida por "ol@3 • Los #ol$"enes "olares parciales de las sustancias puras coinciden con el #alor de la propiedad "olar3 As, por eJe"plo el #olu"en "olar parcial del a(ua pura ?ad"itiendo &ue a te"peratura a"biente y ' at" de presión NO'(3c";= y MO'<' (3"ol;'@ es '<' c"="ol;' &ue es lo "is"o &ue su #olu"en "olar3 • El #olu"en "olar parcial del soluto est* de2inido y no es nulo a$n en el caso del sol#ente puro es decir cuando su concentración es cero3 As, por eJe"plo el #olu"en "olar parcial de la acetona en el a(ua pura no es cero3 El ca"bio de #olu"en al producir la "e+cla de los co"ponentes ser* ¿
¿
¿
Δ mez V =V −V = n1 ( V 1 −V m, 1 ) + n 2 ( V 2 −V m, 2 ) a T y P constantes ( 13 )
La cantidad anterior no debe con2undirse con el #olu"en "olar de la "e+cla o #olu"en "olar "edio3
6.- MATERIAL Y EQUIPO. MATERIAL '
Picnó"etro de '< < o =< "l
'
E"budo de cola corta
'
Matra+ a2orado de << "l
Matraces Erlen"eyer de < "l
'
Vaso de precipitados de < "l
'
Vaso de precipitados de '<< "l
'
Matra+ a2orado de '<< "l
'
Pipeta #olu"trica de < "l
'
Pipeta #olu"trica de "l
'
Pipeta #olu"trica de '< "l
'
Pipeta #olu"trica de "l
'
Pipeta #olu"trica de ' "l
'
Ter"ó"etro con escala de ;'< a '<< QC
'
Piseta
'
Esp*tula "ediana con "an(o de "adera Papel 2iltro Cinta Masin( Tape
HERRAMIENTAS En esta acti#idad no se utili+an .erra"ientas
EQUIPO ' -alan+a anal,tica ' -aFo de te"peratura constante precisión3
SERVICIOS Electricidad
7.- REACTIVOS. < (
cloruro de sodio
' litros de a(ua destilada ?para baFo de te"peratura constante@3
8.- PROCEIMIENTO. PREPARACION E SOLUCIONES 3M E CLORURO E SOIO 3 Be pesa la cantidad re&uerida de soluto en la balan+a anal,tica y se disuel#e en a(ua destilada a2orando en un "atra+ a << "l3
ILUCIONES Be coloca el #olu"en correspondiente para .acer soluciones de concentración ' 'S ' ''> en un "atra+ a2orado por separado partiendo de la solución preparada en S:'3 A2orar a << "l3
ETERMINACION E PESOS Be debe pesar el Picnó"etro #ac,o y seco y se debe obtener el peso del picnó"etro lleno con a(ua destilada a QC3 El picnó"etro debe enJua(arse y secarse per2ecta"ente antes de cada pesada3 El procedi"iento detallado para la deter"inación de la densidad para las di2erentes soluciones se describe a continuación
ETERMINACION E LA ENSIA
'3 Be llena el picnó"etro con el l,&uido ?el cual de pre2erencia debe encontrarse a una te"peratura in2erior a QC@ 3
Be coloca en el baFo de te"peratura constante a QC con el cuerpo principal baJo la super2icie de a(ua3 Be deJa en esa posición por lo "enos &uince "inutos para alcan+ar el e&uilibrio tr"ico3 Durante ese tie"po se aJusta el "enisco a la "arca de re2erencia para lo cual debe e"plearse un papel 2iltro3
=3
Be saca el picnó"etro del baFo secando bien su super2icie e0terna con una toalla y papel 2iltro3
S3 Pesar en la balan+a anal,tica3
RECOMENACIONES es aconseJable repetir
W e y W 0 co"o co"probación ya &ue los resultados del e0peri"ento
dependen de ellos3
!.- RESULTAOS.
Ø
Ø
=
X - n 1X
=
n2
o 1
Ø
=
V − V 1 0 mM 1 n 1
1000
1
1000 W − W 0 M − ρ m W W − e 0
ρ
=
W − W e V p
"# >'3= >'3<< ><3>!! ><3'
% >'3
n 1000 m = 2 n 1 M 1
"$ >'3< >'3<= ><3>!S' ><3!!!
"$# >S3='=
=>3>!! =>3!' =>3!'> =>3'
"$& =>3!''!
=>3!! =>3> =>3!> =>3SS
V& S3>==
& '3'<'
>'3 >'3 >'3!<<= >'3'><
>'3!!' >'3<SS ><3!!< ><3==
=>3!''! =>3!< =>3!'! =>3''
S3>== S3>== S3>== S3>==
'
()
'*
=3'!> '3><== <3!>S <3=!! <3'
SS3! S'3' '3!S '3>! >3!!
'3!< '3>> <3!S <3>'S! <3S=S<
'3<= '3<SS '3<'S '3<<>!
Graca 1
Φ vs (√ m) 50 40 30
volumen molar aparente del soluto
f(x) = 30.2x - 4.57 R² = 0.93
20 10 0 0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
molalidad
Graca 2
V2 vs m 80 60
volumen molar soluto
40 20 0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
molalidad
1.2
1.4
1.6
1.8
Graca
V1 vs m 1 0.8 0.6
volumen molarsolvente
0.4 0.2 0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
molalidad
+,.- ANLISIS E RESULTAOS.
• 6RA1ICA ': En esta (ra2ica se reali+ó la l,nea de tendencia para obtener la pendiente para
• •
calcular los #ol$"enes "olares parciales &ue se presentan en las (ra2icas y = "*s adelante3 uestro par*"etro "*s i"portante para la deter"inación de los #ol$"enes "olares de nuestra solución 2ue el peso de los picnó"etros con cada solución ya &ue con la di2erencia de peso se de"ostró la tendencia de soluto;sol#ente para cada caso la presión y te"peratura se "antu#ieron constantes 6RA1ICA : En esta (ra2ica se reali+o la tendencia del soluto al dis"inuir la concentración "olar se puede obser#ar &ue el #olu"en "olar parcial ta"bin dis"inuye3 6RA1ICA =: En esta (ra2ica se reali+o la tendencia del sol#ente al au"entar su "olalidad su #olu"en "olar se puede obser#ar &ue el #olu"en "olar parcial ta"bin au"enta3
++.- CONCLUSIÓN. Conclui"os &ue al tener una solución cloruro de sodio;a(ua con una concentración y #olu"en inicial y tratando de "antener constante la te"peratura y sin #ariación en la presión al diluir nuestra solución desde ' .asta ''> se pudo obser#ar &ue el soluto con respecto a su #olu"en "olar parcial es directa"ente proporcional a su concentración la cual dis"inuye
+2.- UENTES E CONSULTA. BIBLIO/RA0A
• Perry R et al3 Manual del In(eniero 4u,"ico3 Editorial Mc6raU;Gill eU or '>3 • Warren L3 McCabe3 /peraciones 5nitarias en In(enier,a 4u,"ica3 Editorial Mc6raU; Gill EspaFa ''3
• I3 Le#ine 1isico&u,"ica ta edición #olu"en ' ?< <<3 UUU3&ui"ica3una"3"0IM6pd2'etanol3pd23 '<<'=" • 1ic.as Internacionales de Be(uridad 4u,"ica3 /ctubre <<3 .ttp:UUU3ins.t3esIns.tWebContenidosDocu"entacion1ic.asTecnicas1IB41ic.er os
+3.- ANE1OS. Me"oria de c*lculo: Ø
=
X - n 1X
o 1
Ø
n2
"# >'3= >'3<< ><3>!! ><3'
% >'3 >'3
=
V 0 − V 1 mM 1 n 1
1000
"$ >'3< >'3<= ><3>!S' ><3!!!
"$# >S3='= >'3!!'
=>3>!! =>3!' =>3!'> =>3'
"$& =>3!''! =>3!''!
=>3!! =>3> =>3!> =>3SS
V& S3>== S3>==
& '3'<' '3<=
>'3 >'3!<<= >'3'><
Ø
=
1 ρ
M −
− 1000 W W 0 m W 0 − W e
>'3<SS ><3!!< ><3==
=>3!< =>3!'! =>3''
'
()
'*
=3'!> '3><== <3!>S <3=!! <3'
SS3! S'3' '3!S '3>! >3!!
'3!< '3>> <3!S <3>'S! <3S=S<
ρ
=
W − W e V p
S3>== S3>== S3>==
'3<SS '3<'S '3<<>!
n 1000 m = 2 n 1 M 1
CUESTIONARIO '@ E*))* $()))9 $*'#);') $ <#='$ '#* &*) 3
El #olu"en "olar parcial es una propiedad la cual depende del n$"ero de "oles de cada co"ponente en una solución de los #ol$"enes "olares parciales es el #olu"en total de la solución3 @ * = )$*&*$)9 (>) $ #$&# $ <#='$ '#* &*). El #olu"en "olar parcial del soluto ca"bia con respecto a su concentración "olar pero el #olu"en total de la solución es el "is"o3
5na e0plicación (ra2ica "uestra &ue los #ol$"enes totales "edidos para una serie de disoluciones donde las "e+clas tienen el "is"o nu"ero de "oles de disol#ente pero di2erente nu"ero de "oles de soluto a presión y te"peratura constante3
3? @P#* = $ $#*$' $ E=$* &* (=)#$ #'#D$ $ &)$ &*#&)$$ $*'#);') #'# $ <#='$ Ya que una pr opi edad t er modi námi caesf unci ón homogénea degr ado 1con r espect oal ,n )s on c onj u nt od ev a r i a bl e sd el a sq ued ep en dee le s t a dod els i s t e ma .En t o nc e ss i( P,T v a r i a bl e si nd ep en di e nt e sd el a sc ua l e sd ep en dee le s t a dod els i s t e ma ,e nt o nc ese lv o l u me n s e r áu naf u nc i ó nh omo gé ne ad eg r a dou nor e s pe c t oa lc o nj u nt od ev a r i a bl e si n de pe nd i e nt e s e x t ens i v as( P ,T ,n) .
4? EF&)* )($*$) $*$ <#='$ '#* &*) G <#='$ '#* &*$$. @Q= *$)9 G $*$ $# El #olu"en "olar aparente se de2ine co"o la di2erencia del #olu"en total de la "e+cla y el #olu"en del sol#ente entre el nu"ero de "oles del soluto3
5? E $. !? @= )D)() ) +,,,K Dic.o #alor se re2iere a los "ililitros ?"l@ de solución en &ue se disuel#e el soluto el cual se usa para calcular la "olalidad3 >@ @C9'# $ #)$$ $. ++? &*)* $ $. 7? M#** 3 Esta e0presión se obtiene en base a &ue se trabaJa con un electrolito y por lo tanto resulta con#eniente e0presar la co"posición en tr"inos de la "olalidad la ecuación ?!@ nos "uestra &ue el #olu"en "olar parcial del sol#ente en la "e+cla au"enta a partir de una concentración "olar inicial la cual ta"bin depende de la concentración del soluto a T y P constantes3
7? @C9'# $ #)$$ $. +5? &*)* $ $. +2? '#**. El #olu"en "olar parcial del soluto se obtiene a partir de la tendencia del #olu"en parcial aparente del soluto en la "e+cla y este ca"bia con respecto a la concentración tanto del sol#ente co"o del soluto3
8? @C=;$ # $=)#$ &* $$*')* v´ G n M 1 V 1 = V 0 1 − m 1 1000 2 1
V2
=
Ø
0
+
v´ 2 .
∂Ø ∂ m
3 m ∂Ø 2 ∂ m
!? @P#* = $ *$) *(#*')9 $ m √ m . Por&ue es una 2or"a de e0presar la deri#ada del #olu"en "olar aparente y as, poder (ra2icar para obtener una #ariación lineal con respecto √ m 3
+,? @Q= # $F&$*)'$$ $ *$=)$*$ &* ='&)* # $ #$)<# $ )<). $*))* $ &*#$)')$# D$$* $ ;=# $ <#'$$ '#*$ &*)$ # # $F&$*)'$$. Las #ariables "*s i"portantes a considerar es el peso del picnó"etro y la te"peratura ya &ue el peso depende directa"ente del #olu"en y la densidad de la te"peratura3 As, para el procedi"iento del peso se la#o per2ecta"ente el picnó"etro se seco y se lle#aron las condiciones necesarias para tener un #alor con2iable esto se reali+o para todas las pesadas para "antener la T cte3 se procedió a utili+ar un baFo "ar,a a una te"peratura de C cte3 despus de adicionar la disolución para lle(ar a un e&uilibrio tr"ico todas la soluciones se pesaron dos #eces para ase(urar los #alores re(istrados3 Los datos e0peri"entales re&ueridos 2ueron el peso del picnó"etro tanto #ac,o co"o con a(ua pura y con las disoluciones3
++? M$)#* G $F&)* =# '$# = &))9 &*;) )=*) $ #$&# $*'#);')# <#='$ '#* &*).
Baber cu*ntos "oles tienes del (as o li&uido y en base a eso se deter"ina el #olu"en "olar para despus obtener el #olu"en &ue ocuparan en el recipiente ya sea tan&ue o reactor y deter"inar el ta"aFo del recipiente y sus di"ensiones3
HOJ ASDESEGURI DAD.
G/)A DE DAT/B DE BE65RIDAD A65A DEBTILADA Propiedades físicas y químicas Aspecto: Líquido transparente e incoloro. Olor: Inodoro. Punto de ebullición: 100! Punto de "usión: 0! Presión de #apor: $20!% 2& 'Pa (ensidad $20)*%: 1+00 ,olubilidad: ,oluble en etanol. p +0 / + !onducti#idad: 1+-*+0 'os)c (urea: 31+0 pp
G/)A DE DAT/B DE BE65RIDAD CL/R5R/ DE B/DI/
